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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modulare Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND
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Bipolarplatten können dazu verwendet werden, in einem Stapel angeordnete Brennstoffzellen miteinander zu verbinden und die Prozessgase über die aktiven Bereiche (Reaktionszonen) zu verteilen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße modulare Bipolarplatte umfasst einen Rahmen und eine oder mehrere Einlagen.
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Dabei ist unter dem Begriff „Bipolarplatte“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine plattenförmige Struktur zu verstehen, die eingerichtet ist, die Anodenseite einer Brennstoffzelle mit der Kathodenseite einer benachbarten Brennstoffzelle physikalisch und elektrisch leitend zu verbinden. Die Bipolarplatte kann ferner eingerichtet sein, die Reaktionsgase in die Reaktionszone zu leiten. Dazu können beide Seiten einer Bipolarplatte mit Strömungsprofilen (Flowfield) versehen sein, die dazu vorgesehen sind, bspw. Sauerstoff bzw. Wasserstoff gleichmäßig über den aktiven Bereich zu verteilen.
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Ferner ist unter dem Begriff „Rahmen“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Struktur zu verstehen, die eingerichtet ist, in sie eingelegte Einlagen (in einer Ebene parallel zur Erstreckungsrichtung der Platte) teilweise oder vollständig zu umgreifen. Dabei kann zwischen der Einlage und der umgreifenden Struktur eine in Erstreckungsrichtung formschlüssige Verbindung erzeugt werden. Des Weiteren ist unter dem Begriff „Einlage“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Struktur zu verstehen, deren Kontur auf die Kontur einer Aussparung des Rahmens so abgestimmt ist, dass die in den Rahmen eingelegte Einlage in einer vorbestimmten Relativposition und -ausrichtung zum Rahmen angeordnet ist. Zudem ist unter dem Begriff „Aussparung“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Öffnung oder ein konkaver Bereich zu verstehen, der zur Aufnahme einer Einlage eingerichtet ist.
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Der modulare Aufbau der Bipolarplatte ermöglicht dabei, verschiedene Biploarplatten unter Verwendung eines einheitlichen Rahmens aufzubauen. Des Weiteren erleichtert der modulare Aufbau die Verwendung unterschiedlicher Materialien. Zudem erhöht der modulare Aufbau die Designflexibilität.
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Die eine oder die mehreren Einlagen können eine erste Einlage umfassen, welche eingerichtet ist, in eine erste Aussparung des Rahmens eingelegt zu werden und während eines Betriebs der Brennstoffzelle einen Einlass oder einen Auslass mit einem aktiven Bereich der Bipolarplatte zu verbinden.
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Die eine oder die mehreren Einlagen können ferner eine zweite Einlage umfassen, welche eingerichtet ist, in eine zweite Aussparung des Rahmens eingelegt zu werden und während des Betriebs der Brennstoffzelle den Einlass oder den Auslass mit dem aktiven Bereich der Bipolarplatte zu verbinden.
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Die erste Einlage und/oder die zweite Einlage kann aus einem anderen Material bestehen als der Rahmen.
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Die erste Einlage und/oder die zweite Einlage kann einen profilierten Oberflächenbereich aufweisen.
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Der profilierte Oberflächenbereich kann Kanäle aufweisen.
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Die Kanäle können sich vom aktiven Bereich in Richtung des Einlasses bzw. des Auslasses verjüngen.
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Die eine oder die mehreren Einlagen können ferner eine dritte Einlage umfassen, welche eingerichtet ist, in eine dritte Aussparung des Rahmens eingelegt zu werden und den aktiven Bereich zu bilden.
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Die dritte Einlage kann aus einem anderen Material als der Rahmen und/oder aus einem anderen Material als die erste Einlage und/oder die zweite Einlage bestehen.
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Die dritte Einlage kann einen profilierten Oberflächenbereich aufweisen.
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Der profilierte Oberflächenbereich der dritten Einlage kann Kanäle aufweisen.
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Ferner versteht es sich, dass die im Zusammenhang mit der modularen Bipolarplatte beschriebenen Merkmale auch Merkmale eines Verfahrens sein können, gemäß dem die modulare Bipolarplatte zusammengebaut und in einen Brennstoffzellenstapel eingebaut wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle;
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels;
- 3 eine schematische Darstellung eines Rahmens einer ersten modularen Bipolarplatte;
- 4 eine schematische Darstellung des in 3 gezeigten Rahmens und dreier Einlagen der ersten modularen Bipolarplatte;
- 5 eine schematische Darstellung der ersten modularen Bipolarplatte;
- 6 eine schematische Darstellung eines Rahmens einer zweiten modularen Bipolarplatte;
- 7 eine schematische Darstellung des in 6 gezeigten Rahmens und einer Einlage der zweiten modularen Bipolarplatte;
- 8 eine schematische Darstellung der zweiten modularen Bipolarplatte;
- 9 eine schematische Darstellung eines Rahmens einer dritten modularen Bipolarplatte;
- 10 eine schematische Darstellung des in 9 gezeigten Rahmens und einer Einlage der dritten modularen Bipolarplatte;
- 11 eine schematische Darstellung der dritten modularen Bipolarplatte;
- 12 eine mögliche Modifikation der ersten, zweiten oder dritten modularen Bipolarplatte; und
- 13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens in dem eine modulare Bipolarplatte zusammengebaut und in einen Brennstoffzellenstapel eingebaut wird, zeigt.
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Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathode 12, eine kathodenseitige Katalysatorschicht 14, eine Polymermembran 16, eine anodenseitige Katalysatorschicht 18 und eine Anode 20. Wie in 2 gezeigt, können mehrere Brennstoffzellen 10 in einem Stapel 22 angeordnet sein, wobei zwischen zwei nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen 10 eine Bipolarplatte 24 angeordnet ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Rahmens 26 einer ersten modularen Bipolarplatte 24. Die erste modulare Bipolarplatte 24 umfasst einen umlaufenden Rand 28 und drei Aussparungen 30, 32 und 34. Wie aus 4 und 5 ersichtlich, ist jeder der Aussparungen 30, 32 und 34 eine von drei Einlagen 36, 38 und 40 zugeordnet. Die erste Einlage 36 verbindet den Einlass 42 mit dem aktiven Bereich 44 der Bipolarplatte 24. Die zweite Einlage 38 verbindet den aktiven Bereich 44 mit dem Auslass 46. Die dritte Einlage 40 bildet den aktiven Bereich 44. Die Einlagen 36, 38 und 40 können aus einem anderen Material gefertigt sein als der Rahmen 26.
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Die erste Einlage 36 und die zweite Einlage 38 sind baugleich und um 180° zueinander gedreht angeordnet. Beide Einlagen 36 und 38 weisen eine profilierte Oberfläche auf, in der mehrere Kanäle ausgebildet sind, welche sich in Richtung Einlass 42 bzw. Auslass 46 verjüngen. Der aktive Bereich 44 weist ebenfalls eine profilierte Oberfläche auf, in der mehrere Kanäle ausgebildet sind, welche die dem Einlass 42 bzw. dem Auslass 46 gegenüberliegenden Enden der Einlagen 36 und 38 miteinander verbinden. Dadurch kann im Betrieb ein Massetransport vom Einlass über den aktiven Bereich zum Auslass bewirkt werden.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Rahmens 48 einer zweiten modularen Bipolarplatte 24. Wie die erste modulare Bipolarplatte 24 umfasst die zweite modulare Bipolarplatte 24 einen umlaufenden Rand 28, aber nur zwei der drei Aussparungen 30, 32 und 34, da der aktive Bereich 44 in den Rahmen integriert ist und zusammen mit diesem eine Basisplatte bildet. Wie aus 7 und 8 ersichtlich, ist jeder der Aussparungen 30 und 32 eine der zwei Einlagen 36 und 38 zugeordnet. Die erste Einlage 36 verbindet den Einlass 42 mit dem aktiven Bereich 44 der Bipolarplatte 24. Die zweite Einlage 38 verbindet den aktiven Bereich 44 mit dem Auslass 46. Die Einlagen 36 und 38 können aus einem anderen Material gefertigt sein als der Rahmen 48.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines Rahmens 48 einer dritten modularen Bipolarplatte 24. Wie die erste modulare Bipolarplatte 24 umfasst die dritte modulare Bipolarplatte 24 einen umlaufenden Rand 28, aber nur eine der drei Aussparungen 30, 32 und 34, da die den Einlass 42 bzw. den Auslass 46 mit dem aktiven Bereich 44 verbindenden Strukturen in den Rahmen 48 integriert sind und zusammen mit diesem eine Basisplatte bilden. Wie aus 10 und 11 ersichtlich, ist der Aussparung 34 eine Einlage 40 zugeordnet, welche den aktiven Bereich 44 bildet, wenn sei in die Aussparung 34 eingelegt ist. Die Einlage 40 kann aus einem anderen Material gefertigt sein als der Rahmen 48.
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12 illustriert eine mögliche Modifikation der ersten, der zweiten oder der dritten modularen Bipolarplatte 24. Bei dieser weist der Rahmen 50 mehrere Öffnungen auf, welche es ermöglichen, Prozessfluide entlang der Stapelrichtung durch die Brennstoffzellen 10 zu führen. Bspw. können die Prozessgase oder eine Kühlflüssigkeit durch die Öffnungen entlang der Stapelrichtung durch die Brennstoffzellen 10 geführt werden.
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13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens, gemäß dem die modulare Bipolarplatte 24 zusammengebaut und in einen Brennstoffzellenstapel eingebaut wird. Dieses umfasst einen Schritt 52 des Einlegens von Einlagen auf einer Anodenseite und auf einer Kathodenseite der Bipolarplatte 24 und einen Schritt 54 des Einbauens der Bipolarplatte 24 zwischen einer Anodenseite einer ersten Brennstoffzelle und einer Kathodenseite einer zweiten Brennstoffzelle. Dabei kann vorgesehen sein, dass auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite unterschiedliche Einlagen eingelegt werden. Bspw. Einlagen, welche sich in Form oder Material unterscheiden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 10
- Brennstoffzelle
- 12
- Kathode
- 14
- Katalysatorschicht
- 16
- Polymermembran
- 18
- Katalysatorschicht
- 20
- Anode
- 22
- Stapel
- 24
- Bipolarplatte
- 26
- Rahmen
- 28
- Rand
- 30
- Aussparung
- 32
- Aussparung
- 34
- Aussparung
- 36
- Einlage
- 38
- Einlage
- 40
- Einlage
- 42
- Einlass
- 44
- aktiver Bereich
- 46
- Auslass
- 48
- Rahmen
- 50
- Rahmen
- 52
- Prozessschritt
- 54
- Prozessschritt
